所有示波器都表現(xiàn)出如圖1所示的在較高頻率處滾降的低通頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬參數(shù)在1 GHz及以下的示波器通常表現(xiàn)為高斯響應(yīng),即具備約從-3 dB頻率的三分之一處開始緩慢滾降的特性。
中文名稱 | 示波器帶寬 | 頻率響應(yīng) | 1 GHz以下的示波器為高斯響應(yīng) |
---|
多年之前,大多數(shù)示波器廠商就建議用戶在選擇示波器時,帶寬至少應(yīng)比最大信號頻率高3倍。盡管這一"3X"準則并不適用于以時鐘速率為基礎(chǔ)的數(shù)字應(yīng)用,但它卻仍然適用于已調(diào)RF信號測量等模擬應(yīng)用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷,我們來看一個1GHz帶寬示波器的真正頻率響應(yīng)。
從圖中可以看出,恰好在1GHz處,輸入信號衰減約為1.7dB,這還遠未超出定義示波器帶寬的-3dB限。然而,要想精確測量模擬信號,我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對平坦的那部分頻帶。對該示波器而言,在其1GHz帶寬的大約三分之一處,輸入信號基本沒有衰減(衰減為0dB)。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。
這正是一個遠非平坦頻響的例子。該示波器的頻響既不是高斯頻響也不是最大平坦頻響,反而更像"最大起伏"頻響,而且尖峰現(xiàn)象很嚴重,這會導致波形嚴重失真,不論測量的是模擬信號還是數(shù)字信號。不幸的是,示波器的帶寬規(guī)范(即輸入信號衰減為3dB的頻率)中對在其他頻率上的信號衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺示波器上,即便是在示波器帶寬的五分之一處,信號也有大約1dB(10%)的衰減。因此,在這種情況下再根據(jù)3X準則選擇示波器就很不明智了。所以,在挑選示波器時,最好是選擇著名廠商的產(chǎn)品,而且要密切注意示波器頻響的相對平坦度。
對數(shù)字應(yīng)用而言,示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計的最快時鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號的邊沿速度時,則要根據(jù)信號的最大實際頻率成分來決定示波器帶寬。
對模擬應(yīng)用而言,示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計中的模擬信號最高頻率高3倍,但這一經(jīng)驗準則只適用于那些在低頻段上頻響相對平坦的示波器。
而且我們選擇示波器時也不能只顧眼前,不管將來。只要預(yù)算允許,在今天購買稍優(yōu)于應(yīng)用最低要求的示波器可能會在將來為您節(jié)約不少投資。
示波器帶寬主要定義
而那些帶寬規(guī)格超過1 GHz的示波器通常則具備最大平坦頻率響應(yīng),如圖2所示。這種頻響通常表現(xiàn)為帶內(nèi)響應(yīng)較平緩,而在約-3 dB頻率處滾降較陡。 示波器的這兩種頻率響應(yīng)各有各的優(yōu)缺點。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對帶內(nèi)信號的衰減較小,也就是說前者對帶內(nèi)信號的測量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對帶外信號的衰減小,也就是說在同樣的帶寬規(guī)格下,具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時間。然而,有時對帶外信號的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標準(fMAX < fS)可能造成混迭的高頻成分。關(guān)于 奈奎斯特采樣理論更深入的探討,請參看 安捷倫應(yīng)用筆記1587(Agilent Application Note 1587) 。
不論您手頭的示波器具備高斯頻響、最大平坦頻響還是介于二者之間,我們都將輸入信號通過示波器后衰減3 dB時的最低頻率視為該示波器的帶寬。示波器的帶寬和頻響可以利用正弦波信號發(fā)生器掃頻測量得到。信號在示波器-3dB頻率處的衰減轉(zhuǎn)換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此,我們不能奢望對那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號進行精確測量。
與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時間參數(shù)。具備高斯頻響的示波器,按照10%到90%的標準衡量,上升時間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上,隨示波器頻率滾降特性的陡度不同而有所差異。但我們必須記住的是,示波器的上升時間并非示波器能精確測量的最快的邊緣速度,而是當輸入信號具備理論上無限快的上升時間(0 ps)時,示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實際上這種理論參數(shù)不可能測得到,因為脈沖發(fā)生器不可能輸出邊沿無限快的脈沖,但我們可以通過輸入一個邊沿速度為示波器上升時間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測量示波器的上升時間。
示波器標注的帶寬都是指模擬帶寬,即示波器模擬前端的帶寬,是指隨著輸入正弦信號頻率的增加,輸出信號的幅度衰減到3dB的頻率。
示波器的這兩種頻率響應(yīng)各有各的優(yōu)缺點。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對帶內(nèi)信號的衰減較小,也就是說前者對帶內(nèi)信號的測量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對代外信號...
經(jīng)驗告訴我們,示波器的帶寬至少應(yīng)比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標準,那么該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數(shù)字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進行精確測量,那么這個簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。
公式:fBW≥5xfclk
確定示波器帶寬的一個更準確的方法是根據(jù)數(shù)字信號中存在的最高頻率,而不是最大時鐘速率。數(shù)字信號的最高頻率要看設(shè)計中最快的邊沿速度是多少。因此,我們首先要確定設(shè)計中最快的信號的上升和下降時間。這一信息通??蓮脑O(shè)計中所用器件的公開說明書中獲取。
利用一個簡單的公式計算信號的最大"實際"頻率成分。HowardW.Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計》。在書中,他將這一頻率成分稱為"拐點"頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分,但其中有一個拐點(或稱"knee"),高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關(guān)緊要了。 第二步:計算fknee
fknee=0.5/RT(10%-90%) fknee=0.4/RT(20%-80%)
對于上升時間特性按照10%到90%閥值定義的信號而言,拐點頻率fknee等于0.5除以信號的上升時間。對上升時間特性按照20%到80%閥值定義的信號而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式),fknee等于0.4除以信號的上升時間。但注意不要把此處的信號上升時間與示波器的上升時間規(guī)格混淆了,我們這里所說的是實際的信號邊沿速度。 第三步就是根據(jù)測量上升時間和下降時間所需的精確程度來確定測量該信號所需的示波器帶寬。表1給出了對于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言,在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關(guān)系。但要記住的是,大多數(shù)帶寬規(guī)格在1GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的,而帶寬超過1GHz的通常則為最大平坦頻響型的。 表1:根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類型計算示波器所需帶寬的系數(shù) 第三步:計算示波器帶寬
下面我們通過一個簡單的例子進行講解:
對于在測量500ps上升時間(10-90%)時具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器,確定其所需的最小帶寬;如果信號的上升/下降時間約為500ps(按10%到90%的標準定義),那么該信號的最大實際頻率成分fknee=(0.5/500ps)=1GHz
如果在進行上升時間和下降時間參數(shù)測量時允許20%的定時誤差,那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應(yīng)用的要求。但如果要求定時精度在3%范圍內(nèi),那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。
20%定時精度:示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz
3%定時精度:示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz
MS310、 MS410、MS510、MS610、MS710 100MHz
MS320、 MS420、MS520、MS620、MS720 200MHz
格式:pdf
大小:147KB
頁數(shù): 未知
評分: 4.6
本文介紹了數(shù)字熒光示波器1.2GHz帶寬前置放大器的設(shè)計方法。首先介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計,然后給出了各個模塊的設(shè)計,主要包括無源衰減網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及數(shù)控增益放大器的設(shè)計這三個部分。經(jīng)過分析證明,該前置通道放大器實現(xiàn)了示波器基本功能,各項功能均能達到指定要求。與傳統(tǒng)前置模擬通道放大器相比,該模擬通道放大器具有更高的帶寬、更小的插入損耗等優(yōu)點。
理解示波器帶寬---上升時間和信號保真度
當示波器用戶選擇示波器進行關(guān)鍵的測量時,示波器的主要參數(shù)指標往往是選擇哪一款示波器的唯一標準。示波器最主要的指標參數(shù)是:
(1)帶寬;
(2)采樣率;
(3)記錄長度。
帶寬- 這個指標能告訴我們什么?
模擬帶寬是一個測量指標,簡單的定義是:示波器測得正弦波的幅度不低于真實正弦波信號3dB的幅度時的最高頻率(見的IEEE - 1057)。如圖1,是一個理想的示波器帶寬和幅度測量誤差的曲線圖,從圖1可以看出,當被測正弦波的頻率等于示波器的帶寬(示波器的放大器的響應(yīng)是一階高斯型)時,幅度測量誤差大約30%。如果想測量正弦波的幅度誤差只有3%,被測正弦波的頻率要比示波器的帶寬要低很多(大約是示波器的帶寬的0.3倍)。由于大多數(shù)信號是比正弦波復雜的多,使用示波器測量信號的通用法則是:示波器的帶寬是被測信號的頻率的5倍。
帶寬- 不能告訴我們什么
最典型的用戶選擇示波器顯示和測量復雜的電和光信號,觀測信號在示波器上幅度對時間的顯示。模擬帶寬,一個示波器重要的指標,它應(yīng)該定義在頻域,而不是在時域。根據(jù)采樣理論,復雜的信號在頻域包含豐富的頻譜成分(包含多次正弦波的諧波成分),見圖2.利用頻譜分析,可以看到被采樣信號的頻率成分,然而,如果要充分描述這些頻率成分的特點,就必須知道組成復雜信號的每個成分的準確幅度和相位信息。在這種情況下,帶寬除了能夠告訴將怎樣捕獲這些細節(jié),其它什么也不能告訴我們。從帶寬的測量角度,我們只知道,輸入一個頻率和帶寬相同的正弦波,示波器的幅度測量誤差為30%。
帶寬和上升時間的關(guān)系是什么
除了對通用的信號分析,大多數(shù)的工程師也有對時間測量感興趣,如方波的上升時間和下降時間。因此,從指定的帶寬可以評估示波器系統(tǒng)的上升時間,我們可以使用下面公式:tr= 0.35/BW(或0.42/BW);即:
BW =0.35/tr(或0.42/tr)=5*Fclock(一般普通信號的tr=7%*T,其中:T=1/Fclock)。實際信號的帶寬:信號諧波幅值將為0次波(基波)的70%(即下降3dB)時的諧波頻率。
這里的0.35是示波器帶寬和上升時間(一階高斯模型時的10%-90%上升時間)之間的比例系數(shù),示波器的放大器大多數(shù)使用的是一階高斯型RC低通濾波器的響應(yīng)模型。使用這個公式很容易計算出 tr上升時間,但是,實際往往不是這樣的。圖3的表格給出了不同信號標準所需要的測量系統(tǒng)帶寬的建議,建議的系統(tǒng)帶寬能夠保證上升時間或其它測量得到合理的測試精度。注意,儀器系統(tǒng)很多因數(shù)都會影響在示波器測試上升時間結(jié)果的精度,這些因數(shù)包括信號源,探頭,以及示波器。圖3表格是假設(shè)信號和示波器的測試系統(tǒng)都是一階響應(yīng)特性,但是在實際上,特別是今天的高速串行信號,這個假設(shè)與實際相差甚遠。對于最大平坦包絡(luò)延遲響應(yīng),示波器的帶寬和上升時間的關(guān)系系數(shù)接近0.45。在圖3中,可以看出上升時間和帶寬比例系數(shù)的變化,20GHz 幅頻響應(yīng)模型也發(fā)生變化,從簡單的一階響應(yīng)到32 階響應(yīng)。16 階和32階響應(yīng)類似現(xiàn)在的高性能示波器的響應(yīng)特性,這類高性能示波器的tr/BW 比例系數(shù)接近0.4或0.45。對于這樣的比例系數(shù),示波器的幅頻響應(yīng)從低頻到示波器帶寬截止頻率的平坦度非常好。另外,如果儀器使用非常好的濾波器,那么它的幅度和相位都會得到較好的補償,以便以最好的保真度捕獲和分析復雜信號。什么是真正意義上最好的示波器?兩臺示波器具有相同帶寬性能可以有不同的上升時間,以及不同的幅頻響應(yīng)和相位響應(yīng)!因此,只有知道示波器的帶寬,將無法可靠地知道其測量能力或其能夠準確捕捉復雜信號(像高速串行數(shù)據(jù)流)的能力。同時,示波器的真實的上升時間和從示波器帶寬計算出的上升時間結(jié)果是否一致值得商榷。要得到示波器真實上升時間和下降時間,唯一可靠的途徑就是利用一個上升時間比示波器快的多的理想階躍信號去測量。
探頭帶寬和上升時間
帶寬
為了滿足示波器探頭設(shè)計要求,探頭帶寬是大頻率范圍。例如,一個100 MHz的示波器探頭要求所測量的頻率范圍達到100MHz,探頭能夠捕捉信號在指定頻率范圍的變化。事實上,每個探頭制造商認為,在最大指定的帶寬,探頭的頻率響應(yīng)是下降3dB。在頻率超出了3dB點,信號幅度會大大衰減,測量結(jié)果可能是不可預(yù)測的。精確測量幅度的原則是:測量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)是被測波形頻率的3至5倍以上。這個建議可確保足夠的帶寬捕獲非正弦波波形的高頻率成分,如方波。例如,一個帶寬是300MHz至500MHz測量系統(tǒng),建議捕獲100MHz的方波信號。
關(guān)于帶寬見圖1,隨著頻率的增加,信號的幅度衰減。同樣地 如前所述,探頭制造商指定帶寬到3dB內(nèi)的幅度損失對測試信號沒有明顯影響,在3dB外,隨著高頻成分的衰減,在方波信號的上升和下降邊緣發(fā)生明顯的變化。 使用探頭測試信號時,選擇探頭帶寬應(yīng)是被測信號頻率的3 到5 倍以上 ,幅度誤差從在3 dB 上的 30% 減少至約3%。
上升時間
帶寬描述了頻域特性,但不提供完整的描繪探頭,示波器是如何對時間復現(xiàn)復雜波形形狀的。要充分理解其波形復現(xiàn)過程,階躍響應(yīng)是獲取時域特性是必須的。時域特性通過探頭的上升時間來表征,輸入一個比測試系統(tǒng)快很多的階躍信號來評估系統(tǒng)的階躍響應(yīng),從而得到的上升時間。選用探頭的規(guī)則,探頭的上升時間應(yīng)該比被測信號的上升時間快3至5倍。
示波器采樣率
常見的數(shù)字存儲示波的采樣率單位是1GS/s,代表什么含義?
是每秒采樣1G個點。但是,數(shù)字示波器的采樣率不是固定不變的,隨著你的屏幕分辨率不同,其每秒采樣的次數(shù)也不同。1G是指采樣的最大值。
記錄長度
記錄長度=采樣速率×掃速×10。
本文轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò),版權(quán)歸原作者,如果您覺得不好,請聯(lián)系我們刪除!
廣告
主要性能指標;;模擬寬帶高達33GHz,上升時間快達9ps。支持對最新的高速串行標準的測試;33GHz型號有2條通道提供真正的33GHz實時模擬帶寬;業(yè)界領(lǐng)先的高采樣率和定時分辨率;有2條通道實現(xiàn)100GS/s(33、25、20、16和12.5GHz型號);四通道同時使用性能;高達23GHz帶寬;高達50GS/s實時采樣率;高達500M樣點記錄長度,具有MultiViewZoom"sup--normal" data-sup="1" data-ctrmap=":1,"> [1]
噪聲帶寬(noise bandwidth)是指對某一器件,由其輸出功率-頻率曲線下的面積,除以所關(guān)心噪聲頻率的功率幅度所得的商。
數(shù)字已調(diào)信號占有一定的帶寬,噪聲同樣也有它的帶寬。設(shè)信號為升余弦波形,碼元速率fs,信號帶寬2fs,接收濾波器輸出的帶通型噪聲的功率譜密度Pn(f),在載頻f0處噪聲功率譜密度的最大值為N0。取帶寬為B,如